Izvestiya, Atmospheric and Oceanic PhysicsIzvestiya, Atmospheric and Oceanic PhysicsИзвестия РАН. Физика атмосферы и океана0002-35153034-6487The Russian Academy of Sciences68173910.31857/S0002351524060025HVGXWOArticlesСтатьиResearch ArticleLarge-eddy simulation of a droplet-laden air-flow over a waved water surfaceВихреразрешающее моделирование воздушного потока, несущего капли над взволнованной водной поверхностьюDruzhininO. A.ДружининО. А.
Russian Federation
druzhinin@ipfran.ruInstiute of applied physics RASИнститут прикладной физики РАН0312202460686988031052025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0https://journals.eco-vector.com/0002-3515/article/view/681739

Large-eddy simulation of the dynamics of a turbulent, droplet-laden air-flow over a waved water surface has been carried out. Sufficiently small droplets (with diameter up to 300 micron) are considered which allows us to neglect their deformation. Collisions between the droplets as well as their evaporation are also not taken into account. The droplet mass fraction is prescribed sufficiently small, such that their impact on the air-flow is negligible; the surface wave is prescribed and not affected by either droplets or air-wind. Numerical model is based on the solution of three-dimensional, filtered over subgrid-scale fluctuations, Eulerian equations of air-phase motion, and thr Lagrangian equations of individual droplets motion. A turbulent-viscosity concept is employed for the closure for the subgrid stresses in the air-velocity equations where the kinetic energy of the pulsations unresolved by the mesh is determined by the solution of a prognostic equation. The model is verified by a comparison with the results of a direct numerical simulation of the full equations of motion of the air and dispersed phases. Phase-averaged profiles of the air velocity and momentum flux and droplet concentration for different Reynolds numbers of the carrier flow and droplet injection scenarios are obtained.

Проведено вихреразрешающее моделирование динамики турбулентного воздушного потока над взволнованной водной поверхностью, несущего капли. Рассматриваются достаточно мелкие капли (с диаметром до 300 микрон), что позволяет пренебречь их деформацией; не учитываются также столкновения капель между собой и их испарение и теплообмен с воздухом. Массовая концентрация капель задается достаточно малой, что позволяет пренебречь их воздействием на поток; поверхностная волна считается заданной, неизменяющейся под действием капель и ветра. Численная модель основана на решении трехмерных, отфильтрованных по подсеточным флуктуациям уравнений движения воздушной фазы в эйлеровой формулировке и лагранжевых уравнений движения отдельных капель. Для замыкания подсеточных напряжений в уравнении для скорости воздуха используется концепция турбулентной вязкости, где кинетическая энергия неразрешаемых расчетной сеткой пульсаций определяется решением прогностического уравнения. Проведена верификация модели сравнением с результатами прямого численного интегрирования полных уравнений динамики воздушной и дисперсной фаз. Получены фазово-осредненные профили скорости, потока импульса воздуха и концентрации капель для различных значений числа Рейнольдса несущего потока (до 105) и сценариев инжекции капель в поток.

waved water surfaceair flowdropletslarge-eddy and direct numerical simulationвзволнованная водная поверхностьвоздушный потоккапливихреразрешающее и прямое численное моделированиеРоссийский Научный ФондRussian Science Foundation24-27-00216Работа выполнена при поддержке проекта РНФ № 24-27-00216.Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Наука, 1984. 520 с.Глазунов А.В. Вихреразрешающее моделирование турбулентности с использованием смешанного динамического локализованного замыкания. Часть I. Формулировка, задачи, описание модели и диагностические численные тесты // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45. № 1. С. 7–28.Филлипс О.М. Динамика верхнего слоя океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 319 с.Andreas E.L., Jones K.F., Fairall C.W. Production velocity of sea spray droplets // J. Geophys. Res . 2010. V. 115. C12065. doi:10.1029/2010JC006458.Andreas E.L., Mahrt L., Vickers D. An improved bulk air–sea surface flux algorithm, including spray-mediated transfer // Q. J. R. Meteorol. Soc. 2015. V. 141. P. 642–654. DOI:10.1002/qj.2424Bortkovskii R.S. Air-sea exchange of heat and moisture during storms. Dodrecht: D. Reidel. 1987. 206 pp. doi: 10.1007/978-94-017-0687-2.Druzhinin O.A. On Droplet-Mediated Sensible and Latent Heat Transfer in the Marine Atmospheric Boundary Layer: “Polar Low” Versus “Tropical Cyclone” Conditions // Boundary-Layer Meteorology. 2021. V. 178. P. 43–62. https://doi.org/10.1007/s10546-020-00557-2Druzhinin O.A., Troitskaya Yu.I., Zilitinkevich S.S. The study of droplet-laden turbulent air-flow over waved water surface by direct numerical simulation // J. Geophys. Res. Oceans. 2017. V. 122. P. 1789–1807.Edson J.B., Fairall C.W. Spray droplet modeling. 1. Lagrangian model simulation of the turbulent transport of evaporating droplets // J. Geophys. Res. 1994. V. 99 (C12). P. 25295–25311.Gent P.R., Taylor P.A. A numerical model of the air flow above water waves // J. Fluid Mech. 1976. V. 77. P. 105–128.Fletcher C.A.J. Computational Techniques for Fluid Dynamics. 2nd ed. Springer, 1991. P. 493.Michałek W.R., Kuerten J.G.M., Zeegers J.C.H., Liew R., Pozorski J., Geurts B.J. A hybrid stochastic-deconvolution model for large-eddy simulation of particle-laden flow // Physics of Fluids. 2013. V. 25. P. 123302. doi: 10.1063/1.4849536Mueller J.A., Veron F. Impact of sea spray on air–sea fluxes. Part I: Results from Stochastic Simulations of Sea Spray Drops over the Ocean // J. Phys. Oceanogr. 2014. V. 44. P. 2817–2834. doi: 10.1175/JPO-D-13-0245.1.Peng T., Richter D. Sea spray and its feedback effects: assessing bulk algorithms of air–sea heat fluxes via direct numerical simulations // J. Phys. Oceanogr. 2019. V. 49. P. 1403–1421. doi: 10.1175/JPO-D-18-0193.1Piomelli U., Balaras E. Wall-layer models for large-eddy simulations // Annu. Rev. Fluid Mech. 2002. V. 34. P. 349–374.Pozorski J., Apte S.V. Filtered particle tracking in isotropic turbulence and stochastic modeling of subgrid-scale dispersion // Int. J. Multiphase Flow. 2009. V. 35. No. 2. P. 118–128.Richter D.H., Dempsey A.E., Sullivan P.P. Turbulent transport of spray droplets in the vicinity of moving surface waves // J. Phys. Oceanogr. 2019. V. 49. P. 1789–1807. https://doi.org/10.1175/jpo-d-19-0003.1Robinson S.K. Coherent motions in the turbulent boundary layer // Annu. Rev.Fluid Mech. 1991. V. 23. P. 601–639. http://dx.doi.org/10.1146/annurev.fl.23.010191.003125.Thorpe S.A. Dynamical processes of transfer at the sea surface // Progress in Oceanography. 1995. V. 35. P. 315–352.Troitskaya Y.I., Ezhova E.V., Soustova I.A., Zilitinkevich S.S. On the effect of sea spray on the aerodynamic surface drag under severe winds // Ocean Dynamics. 2016. V. 66. P. 659–669. https://doi.org/10.1007/s10236-016-0948-9Troitskaya Yu., Kandaurov A., Ermakova O., Kozlov D., Sergeev D., Zilitinkevich S. Bag-breakup fragmentation as the dominant mechanism of sea-spray production in high winds // Scientific Reports. 2017. V.7. P. 1614. https://doi.org/10.1038/s41598-017-01673-9Troitskaya Yu., Kandaurov A., Ermakova O., Kozlov D., Zotova A., Sergeev D. The Small-Scale Instability of the Air–Water Interface Responsible for the Bag-Breakup Fragmentation // J. Phys. Oceanography. 2023. V. 52. P. 493–517. DOI: 10.1175/JPO-D-21-0192.1Sullivan P.P., Edson J.B., Hristov T., McWilliams J.C. Large eddy simulations and observations of atmospheric marine boundary layers above nonequilibrium surface waves //J. Atmos. Sci. 2008. V. 65. P. 1225–1245. doi:10.1175/2007JAS2427.1Wells M.R., Stock D.E. The effect of crossing trajectories on the dispersion of particles in a turbulent flow // J. Fluid Mech. 1983. V. 136. P. 31–62.Zeng X., Zhao M., Dickinson R.E. Intercomparison of bulk aerodynamic algorithms for the computation of sea surface fluxes using TOGA COARE and TAO data // J. Clim. 1998. V. 11. P. 2628–2644.